Emissive Sonden für technische Anwendungen

Plasmaphysik ist von enormer Bedeutung für die moderne Technologie, insbesondere für die Oberflächenbehandlung und Nanotechnologie, intensive Lichtquellen, Ionentriebwerke, Schweiß- und Schneidtechiken, die Abfallbehandlung und Kernfusionstechnologie. Plasmen zeigen jedoch oft ein stark instabiles Verhalten, das zu dessen Beeinträchtigung führen kann. Daher sollten die Parameter eines Plasmas ständig überwacht werden, um schädlichen Effekten, wenn möglich, rechtzeitig entgegenwirken zu können. Aus diesem Grunde ist die Diagnostik von Plasmaparametern eine der wichtigsten Teilgebiete der Plasmaphysik. Einer der wichtigsten Plasmaparameter ist das Plasmapotential. Wegen nichtlinearer Phänomene kann dieses entweder stark schwingen oder fluktuieren oder zeigt stationäre Abweichungen von einem flachen Profil. Es gibt sehr wenige Methoden der Messung des Plasmapotentiales, und diese sind entweder kompliziert und teuer, oder sie können das Plasma stören. Eine der Methoden der direkten Messung des Plasmapotentiales mit annehmbarer zeitlicher und räumlicher Auflösung ist eine Sonde, die einen Elektronenstrom in das Plasma emittiert. Das wird üblicherweise mit Hilfe einer kleinen Schleife aus einem Draht eines hochschmelzend Metalles (W oder Re) erreicht, die elektrisch geheizt wird. Dann entspricht das so genannte Schwebe- oder Floating-Potential der emissiven Sonde ziemlich genau dem Plasmapotential, da der Strom der Plasmaelektronen von jenem der emittierten Elektronen kompensiert wird. Obwohl emissive Sonden seit vielen Jahren bekannt sind, sind sie nicht vollständig verstanden. Wir haben jedoch mit emissiven Sonden sehr gute Resultate erzielt, sogar in dem heißen und dichten Plasma verschiedener Fusionsexperimente, und verfügen nun über eine gute Erfahrung damit. Darauf aufbauend planen wir einerseits noch nicht verstandene Effekte emissiver Sonden zu studieren, um ihre Verlässlichkeit und Anwendbarkeit zu verbessern, und sie andererseits weiter zu entwickeln, um sie zu einem verlässlichen und gut verstandenen Standardwerkzeug für die Diagnose der Plasmapotentiales in möglichst vielen Plasmatypen, insbesondere in industriellen und Fusionsplasmen, zu machen. Zu diesem Zweck planen wir zwei Richtungen zu verfolgen: (i) die Durchführung spezifischer experimenteller Untersuchungen emissiver Sonden in verschiedenen Plasmen, unterstützt durch Computersimulationen, und (ii) die Entwicklung neuer, besonders verlässlicher und robuster emissiver Sonden für technologische und Fusionsplasmaanwendungen. Der am meisten versprechende neue Typ wäre eine laser-geheizte Sonde, bei der der Elektronen emittierende Sondenkopf von einem starken Infrarotstrahl aus einem IR-Diodenlaser mit einer Leistung bis zu 50 W geheizt wird. Diese Ziele sollen teilweise in Zusammenarbeit mit zwei anderen europäischen Plasmaphysiklaboratorien erreicht werden.